Che cos’è un semiconduttore? Tipi, materiali e applicazioni

I semiconduttori sono materiali la cui conduttività elettrica può essere controllata. Questa semplice proprietà consente agli ingegneri di realizzare componenti in grado di commutare, amplificare, raddrizzare, rilevare, emettere luce e convertire l’energia elettrica. Il silicio rimane il materiale principale per gran parte dei dispositivi elettronici, ma i materiali composti e quelli a banda larga trovano ora impiego in applicazioni in cui la frequenza, la tensione, la temperatura, le prestazioni ottiche o l’efficienza energetica sono più importanti del solo costo del materiale.

Per un responsabile acquisti o un ingegnere, il termine “semiconduttore” non è una descrizione sufficiente per un ordine di acquisto. Un diodo, un MOSFET, un fotodiodo, un microcontrollore e un amplificatore di potenza RF possono essere tutti semiconduttori, ma ciascuno presenta specifiche, confezionamento, rischi legati al ciclo di vita ed esigenze di ispezione diversi. Questa guida illustra i principali tipi e materiali dei semiconduttori, collegandoli poi all’approvvigionamento pratico dei componenti.

Che cos’è un semiconduttore?

Definizione di semiconduttore

Un semiconduttore è un materiale con una conduttività elettrica compresa tra quella di un buon conduttore e quella di un isolante. La sua conduttività può essere modificata aggiungendo impurità in modo controllato, applicando un campo elettrico, variando la temperatura o esponendolo alla luce. Il silicio è l’esempio più diffuso. Anche il germanio, l’arseniuro di gallio, il fosfuro di indio, il nitruro di gallio e il carburo di silicio vengono utilizzati per soddisfare requisiti specifici dei dispositivi.

Il materiale diventa utile quando viene modellato in una struttura di dispositivo. Una giunzione p-n può dare origine a un diodo o a un fotodiodo. Regioni, ossidi e contatti metallici disposti con cura possono dare origine a un transistor. È quindi possibile realizzare numerosi transistor e altre strutture su un unico chip per creare un circuito integrato.

In che modo i semiconduttori differiscono dai conduttori e dagli isolanti

I conduttori, come il rame, presentano numerosi portatori di carica mobili, per cui la corrente scorre facilmente. Gli isolanti, come il vetro, oppongono una forte resistenza alla corrente in condizioni normali. Il semiconduttore si colloca a metà strada tra questi due estremi. Il suo comportamento può essere regolato durante la produzione e, in un dispositivo finito, controllato tramite tensione, luce, temperatura o condizioni magnetiche.

È proprio questa controllabilità a costituire la differenza fondamentale. Essa consente a un circuito di attivare e disattivare la corrente, regolare una tensione, rilevare la luce, elaborare un segnale o convertire l’energia con un’efficienza definita. Il National Institute of Standards and Technology descrive i semiconduttori, come il silicio, come materiali con conduttività elettrica regolabile e li identifica come la base dei complessi circuiti integrati utilizzati nelle comunicazioni, nell’informatica, nella sanità e nei trasporti. Panoramica sui semiconduttori del NIST

Perché i semiconduttori sono fondamentali per l'elettronica moderna

L'elettronica moderna utilizza semiconduttori a diversi livelli. I dispositivi discreti proteggono e controllano la corrente. I circuiti integrati analogici elaborano i segnali e gestiscono l'alimentazione. I circuiti integrati digitali svolgono funzioni logiche e di memoria. I dispositivi optoelettronici collegano i sistemi elettrici e ottici. I semiconduttori di potenza gestiscono l'energia nei caricabatterie, negli azionamenti per motori, negli inverter solari e nei veicoli elettrici.

Ai fini dell'approvvigionamento, questa varietà implica che la sola categoria del componente non sia sufficiente a determinarne l'idoneità. Il codice articolo esatto del produttore, il suffisso, la confezione, il grado di temperatura e la revisione devono corrispondere ai requisiti di progettazione.

Come funzionano i semiconduttori?

Elettroni, lacune e conduttività elettrica

In un semiconduttore, la corrente è trasportata dagli elettroni e dai buchi. Un elettrone è un portatore di carica negativa. Un buco è l'assenza di un elettrone in una struttura cristallina e si comporta come un portatore di carica positiva. Il movimento e la concentrazione di questi portatori determinano il modo in cui il materiale risponde a una tensione applicata.

Il cristallo viene modificato tramite il drogaggio. Il drogaggio consiste nell’aggiungere una quantità controllata di un altro elemento per modificare i portatori disponibili. Il risultato non è semplicemente un materiale che conduce di più o di meno. Si creano infatti regioni con comportamenti elettrici diversi, che gli ingegneri utilizzano per realizzare giunzioni, canali, gate e altre strutture dei dispositivi.

Semiconduttori intrinseci ed estrinseci

Un semiconduttore intrinseco è un semiconduttore relativamente puro la cui concentrazione di portatori è determinata principalmente dal materiale e dalla temperatura. Un semiconduttore estrinseco è stato intenzionalmente drogato per modificarne le proprietà elettriche. La maggior parte dei dispositivi a semiconduttore di uso pratico utilizza regioni estrinseche accuratamente controllate piuttosto che un cristallo interamente uniforme.

Lo stesso materiale di base può supportare dispositivi diversi poiché il processo di produzione consente di controllare la posizione, la concentrazione e la geometria delle regioni drogate. Questo è uno dei motivi per cui il nome del materiale da solo non è sufficiente per scegliere un componente.

Materiali semiconduttori di tipo N e di tipo P

Il materiale di tipo N contiene impurità donatrici che forniscono un maggior numero di elettroni liberi. Il materiale di tipo P contiene impurità accettrici che generano un maggior numero di lacune. Quando le due regioni si incontrano, la giunzione p-n che ne risulta può condurre la corrente in modo diverso a seconda della tensione applicata. Questo comportamento viene sfruttato nei raddrizzatori, nei diodi di segnale, nei LED, nei fotodiodi e in molte strutture di sensori.

In un transistor, la presenza di regioni e terminali aggiuntivi consente al dispositivo di controllare una corrente o una tensione maggiore con un segnale di ingresso più debole. Il funzionamento esatto dipende dalla famiglia di dispositivi, dalle condizioni di polarizzazione, dal contenitore e dai limiti indicati nella scheda tecnica. Un dispositivo sostitutivo deve essere verificato in relazione a tali limiti, anziché essere selezionato solo perché presenta lo stesso nome generico.

Quali sono le principali tipologie di semiconduttori?

Semiconduttori discreti

I semiconduttori discreti sono dispositivi singoli forniti come componenti separati. Tra gli esempi più comuni figurano:

• Diodi per raddrizzamento, protezione, limitazione, commutazione e rilevamento del segnale.
• Raddrizzatori per la conversione della corrente alternata in corrente continua negli alimentatori e nei caricabatterie.
• Transistor per la commutazione, l'amplificazione, la regolazione e il controllo di potenza.
• MOSFET e IGBT per azionamenti motore, convertitori, inverter e altri stadi di potenza.
• LED, fotodiodi, diodi laser e altri componenti optoelettronici.

Quando si acquista un dispositivo discreto, è necessario verificare i parametri elettrici, il comportamento di commutazione, il percorso termico, il contenitore, la configurazione dei pin, la marcatura e i requisiti di montaggio. Due componenti possono sembrare simili pur presentando soglie di gate, capacità, comportamento di recupero, resistenza termica o aree di funzionamento sicuro diversi.

Circuiti integrati

I circuiti integrati riuniscono numerose strutture a semiconduttore su un unico chip. Tra questi figurano microcontrollori, microprocessori, dispositivi di memoria, circuiti integrati analogici, circuiti integrati per la gestione dell'alimentazione, dispositivi di interfaccia, sensori e circuiti integrati per applicazioni specifiche.

L'approvvigionamento di circuiti integrati prevede una serie di controlli. Verificare il codice d'ordine completo, la densità di memoria o la versione dell'interfaccia (ove pertinente), il suffisso del contenitore, il grado di temperatura, il tipo di finitura dei terminali, il metodo di imballaggio e lo stato del ciclo di vita. Per i dispositivi programmabili, sono importanti anche la compatibilità del software e della configurazione. Anche un'alternativa con pin compatibili potrebbe comunque richiedere una convalida tecnica.

Semiconduttori di potenza, logici, analogici e a segnale misto

I semiconduttori di potenza vengono selezionati in base a tensione, corrente, frequenza di commutazione, perdite di conduzione, perdite di commutazione, resistenza termica e comportamento di protezione. I dispositivi logici elaborano stati binari. I dispositivi analogici gestiscono segnali continui quali tensione, corrente, temperatura e pressione. I circuiti integrati a segnale misto combinano funzioni analogiche e digitali, spesso con convertitori, interfacce, clock e controlli integrati.

Le categorie si sovrappongono. Un circuito integrato (IC) per la gestione dell’alimentazione può comprendere controlli analogici, monitoraggio digitale, logica di protezione e uno stadio di commutazione. Ai fini della revisione della distinta base (BOM), è opportuno raggruppare i componenti in base alla funzione e al rischio, anziché partire dal presupposto che ogni IC possa essere valutato utilizzando la stessa lista di controllo.

Quali materiali vengono utilizzati nei dispositivi a semiconduttore?

Famiglia di materiali	Punti di forza tipici	Istruzioni generali per l'applicazione	Verifica dell'acquirente
Silicio	Processi consolidati, ampia gamma di dispositivi, base di fornitura consolidata	Logica, memoria, analogico, sensori e dispositivi di potenza convenzionali	Processo esatto, pacchetto, classificazione, ciclo di vita e fonte
Germanio	Proprietà dei materiali utili in determinati dispositivi e ambiti di ricerca	Applicazioni specializzate e legacy	Verificare la disponibilità attuale e le specifiche esatte del dispositivo
GaAs e InP	Prestazioni ad alta frequenza o optoelettroniche in alcuni modelli selezionati	Sistemi a radiofrequenza, a microonde, laser e a fibra ottica	Verificare la frequenza, i parametri ottici, il contenitore e la qualificazione
SiC e GaN	Comportamento tipico dei materiali a banda larga per progetti ad alta potenza, ad alta frequenza o ad alta temperatura	Conversione di potenza per veicoli elettrici, caricabatterie, RF, data center e alimentazione industriale	Verificare i valori dinamici, il pilotaggio dei gate, la progettazione termica e la qualificazione per l'applicazione

Silicio e germanio

Il silicio continua a dominare il settore perché unisce utili proprietà elettriche a un ecosistema produttivo consolidato e a un’ampia gamma di strutture dei dispositivi. Viene utilizzato nei circuiti logici, nelle memorie, nei circuiti analogici, nei sensori e in molti dispositivi di potenza. Il germanio è meno diffuso nell’approvvigionamento dei componenti di uso comune, ma rimane rilevante in alcune applicazioni specifiche nel campo dei semiconduttori, dell’infrarosso e in settori specializzati.

Semiconduttori composti come il GaAs e l'InP

I semiconduttori composti combinano elementi appartenenti a diversi gruppi della tavola periodica. L’arseniuro di gallio e il fosfuro di indio vengono utilizzati quando le proprietà ad alta frequenza, ottiche o di altro tipo dei materiali giustificano le specifiche considerazioni relative alla loro produzione e fornitura. Un acquirente non dovrebbe considerare un componente in GaAs o InP come un sostituto generico di un dispositivo in silicio. La gamma di frequenze, la lunghezza d’onda ottica, il contenitore, il comportamento termico e la qualificazione del sistema potrebbero infatti variare.

Materiali a banda larga come il SiC e il GaN

Il carburo di silicio e il nitruro di gallio presentano bande proibite più ampie rispetto al silicio. Sono sempre più utilizzati in applicazioni di potenza e RF in cui sono importanti le prestazioni di commutazione, la capacità di tensione, le condizioni termiche, le dimensioni o l’efficienza. SEMI collega la loro adozione alla mobilità elettrica, alle energie rinnovabili, al 5G, alla produzione intelligente e alla robotica. Panoramica sui materiali per semiconduttori SEMI

Il SiC è comunemente utilizzato nella conversione di potenza ad alta tensione, compresi gli inverter e i sistemi di ricarica dei veicoli elettrici. Il GaN viene impiegato nella conversione di potenza ad alta frequenza e nei progetti RF, tra cui alcuni caricabatterie compatti e apparecchiature di comunicazione. Questi dispositivi richiedono comunque una revisione completa del sistema. Un gap di banda più ampio non rende automaticamente un dispositivo un sostituto diretto. Le condizioni di pilotaggio del gate, il layout, i transitori di commutazione, i percorsi termici, la protezione e la qualificazione in termini di affidabilità devono essere verificati dal reparto tecnico.

Quali sono i dispositivi a semiconduttore più comuni?

Diodi e raddrizzatori

I diodi conducono preferenzialmente in una sola direzione. La scelta di un raddrizzatore può dipendere dalla tensione diretta, dalla tensione inversa, dal comportamento di recupero inverso, dalla dispersione, dalla corrente di picco, dall'intervallo di temperatura e dalle prestazioni termiche del contenitore. I raddrizzatori Schottky, a recupero rapido, TVS, Zener, di segnale e a ponte svolgono funzioni diverse.

Transistor a giunzione bipolare, MOSFET e IGBT

I transistor a giunzione bipolari utilizzano il controllo della corrente alla base, mentre i MOSFET utilizzano un campo elettrico al gate per controllare il canale. Gli IGBT combinano una struttura del gate di tipo MOS con caratteristiche di conduzione bipolari e vengono utilizzati in alcune applicazioni di commutazione ad alta potenza. La scelta corretta dipende da tensione, corrente, frequenza, perdite di conduzione, perdite di commutazione, circuito di pilotaggio, progettazione termica e condizioni di guasto.

Per una richiesta d'acquisto, indicare il codice completo del componente e il tipo di confezione, anziché limitarsi a scrivere solo “MOSFET” o “transistor di potenza”. Verificare se l'applicazione richiede valori specifici di RDS(on), carica di gate, resistenza di avalanche, condizioni di isolamento o grado di qualificazione.

LED, fotodiodi, sensori e circuiti integrati

I LED trasformano l'energia elettrica in luce. I fotodiodi trasformano la luce incidente in un segnale elettrico. I sensori utilizzano strutture a semiconduttore per rilevare temperatura, pressione, movimento, campi magnetici, gas, luce o altre condizioni. I circuiti integrati combinano numerose funzioni in un dispositivo compatto.

DuoLink’s categoria "optoelettronica" Questo aspetto è rilevante quando una distinta base (BOM) include LED, fotodiodi o componenti simili basati sulla luce. I componenti ottici richiedono ulteriori verifiche, quali la lunghezza d’onda, l’emissione radiante o luminosa, l’angolo di visione, la risposta del rilevatore, il contenitore e il comportamento termico.

In quali ambiti vengono utilizzati i semiconduttori?

I semiconduttori sono presenti in quasi tutti i sistemi elettronici moderni. Nell’elettronica di consumo, nei computer e nei data center, processori, memorie, circuiti integrati per la gestione dell’alimentazione, sensori, circuiti integrati di interfaccia e dispositivi ottici operano in sinergia. Anche i sistemi di calcolo ad alte prestazioni e le apparecchiature dei data center pongono requisiti elevati in termini di conversione di potenza, gestione termica, memorie e interconnessioni ad alta velocità.

L’elettronica automobilistica utilizza microcontrollori, sensori, dispositivi di potenza, circuiti integrati di comunicazione, driver per LED, dispositivi di controllo dei motori e componenti di protezione. I veicoli elettrici aggiungono inverter di trazione, sistemi di gestione delle batterie, caricabatterie di bordo, convertitori CC-CC e infrastrutture di ricarica. Il carburo di silicio è sempre più associato alla conversione di potenza ad alta tensione, mentre la scelta finale del dispositivo dipende ancora dalla piattaforma del veicolo e dai requisiti di qualificazione. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti descrive i dispositivi a base di silicio come il fondamento consolidato dell’elettronica di potenza dei veicoli e identifica il SiC e il GaN come importanti aree di ricerca nel campo dei materiali a banda larga. Ricerca del DOE nel campo dell'elettronica di potenza

Le comunicazioni 5G utilizzano front-end RF, amplificatori di potenza, filtri, convertitori, processori e componenti di rete ottici o cablati. L’automazione industriale utilizza PLC, azionamenti per motori, sistemi di controllo robotico, sensori, relè e componenti elettronici legati alla sicurezza. Le apparecchiature mediche, i sistemi aerospaziali e le applicazioni nel settore della difesa possono imporre requisiti più rigorosi in materia di qualificazione, tracciabilità, impatto ambientale, esportazione o documentazione.

DuoLink descrive la propria attività come un servizio indipendente di fornitura di componenti elettronici, che comprende semiconduttori, circuiti integrati, approvvigionamento di liste dei materiali (BOM), richieste di disponibilità a magazzino e componenti difficili da reperire. Gli acquirenti possono consultare il pagina "Chi siamo" e inviare una richiesta tramite il Sito web di DuoLink. È comunque necessario verificare la disponibilità, l'autenticità, la documentazione e l'idoneità del componente specifico e della sua applicazione.

Come selezionare e procurarsi componenti semiconduttori

Inizia dall'elenco completo dei componenti necessari

Indicare il produttore, il codice articolo completo, la quantità, la confezione, l'applicazione prevista, il codice data richiesto, le alternative accettabili e i requisiti documentali. Le specifiche chiave possono includere:

• Tensione, corrente, potenza, frequenza, guadagno o parametri ottici.
• Confezione, configurazione dei pin, metodo di montaggio e interfaccia termica.
• Temperatura di esercizio, grado di qualificazione e limiti ambientali.
• Stato del ciclo di vita, revisione, codice data, codice lotto e formato di confezionamento.
• RoHS, REACH, requisiti specifici del cliente, settore automobilistico, medico, aerospaziale o altre esigenze di conformità.

Non approvare un prodotto alternativo basandosi esclusivamente su una corrispondenza parametrica approssimativa. La forma, l’adattabilità e la funzionalità possono dipendere anche dal comportamento transitorio, dal firmware, dall’impedenza termica, dalle perdite di commutazione, dalla risposta ottica o dalla cronologia delle qualifiche.

Verificare il produttore, il codice articolo, il codice di data, l'autenticità e il ciclo di vita

Confrontare il componente offerto con la scheda tecnica attuale del produttore e le informazioni sullo stato del prodotto. Verificare il suffisso completo, il disegno della confezione, le convenzioni di marcatura ed eventuali informazioni relative a PCN o PDN. Chiedere se lo stock offerto sia sigillato in fabbrica, riconfezionato, proveniente da un lotto misto, detenuto dal fornitore o già assegnato a un altro ordine.

Prima della spedizione, richiedere foto aggiornate di bobine, vassoi, etichette, codici data, codici lotto e imballaggi quando il rischio o il valore lo giustificano. Al momento della ricezione, confrontare le etichette e le marcature superiori, ispezionare i conduttori o le sfere, verificare la presenza di ossidazione o ritocchi superficiali e mettere in quarantena gli articoli non conformi. L’ispezione visiva può individuare segnali di allarme, ma di per sé non garantisce l’autenticità. Le applicazioni a rischio più elevato potrebbero richiedere test elettrici, analisi a raggi X, analisi XRF, decapsulazione o un altro piano di ispezione definito e approvato dai reparti di qualità e ingegneria.

Quando ricorrere all'approvvigionamento della distinta base

L'approvvigionamento tramite distinta base (BOM) è utile quando un progetto comprende numerose famiglie di semiconduttori, diverse linee sono obsolete o già assegnate, oppure quando l'acquirente necessita di un unico processo per la verifica dei codici articolo, la richiesta di disponibilità a magazzino, la richiesta di preventivo e la raccolta della documentazione. Può inoltre aiutare a distinguere i componenti attivi a basso rischio dalle linee con fornitore unico, in carenza, a fine vita o difficili da reperire.

DuoLink’s Supporto per l'approvvigionamento della distinta base (BOM) possono essere presi in considerazione per quel flusso di lavoro. Inviare la distinta base (BOM) indicando le preferenze del produttore, le quantità, le date previste, le alternative approvate, i limiti relativi al codice di data e i documenti richiesti. L’acquirente dovrà comunque definire i criteri di accettazione e ottenere l’approvazione tecnica per qualsiasi sostituzione.

Conclusione

I semiconduttori sono materiali elettronici controllabili utilizzati per realizzare diodi, transistor, dispositivi optoelettronici, sensori, stadi di potenza e circuiti integrati. Il silicio rimane la piattaforma più diffusa, mentre GaAs, InP, SiC e GaN sono impiegati in progetti con requisiti specifici in termini di frequenza, caratteristiche ottiche, tensione, temperatura o efficienza.

Quando si effettua un acquisto all’estero, la domanda fondamentale non è solo “Di che tipo di semiconduttore si tratta?”, ma anche “Quale componente specifico soddisfa i requisiti di progettazione, documentazione, ciclo di vita e qualità?”. Prima di effettuare l’ordine, è necessario verificare il codice articolo completo, le specifiche, la confezione, la documentazione di provenienza, i requisiti relativi al lotto e al codice di data, nonché eventuali approvazioni alternative.

DuoLink Electronics è un fornitore indipendente di componenti elettronici specializzato in circuiti integrati, semiconduttori, componenti passivi, connettori, approvvigionamento di liste dei materiali (BOM), ricerca di codici articolo, richieste di disponibilità a magazzino e reperimento di componenti difficili da trovare. Gli acquirenti possono inviare il nome del produttore, il codice articolo, la quantità, l’applicazione, i requisiti relativi al codice di data e le esigenze di documentazione per una valutazione specifica dell’approvvigionamento.

Domande frequenti

Il silicio è ancora il principale materiale semiconduttore?

Sì. Il silicio continua a essere ampiamente utilizzato per circuiti integrati logici, di memoria, analogici, sensori e molti dispositivi di potenza. Il GaN, il SiC, il GaAs e l’InP vengono scelti quando le loro proprietà si adattano meglio a particolari requisiti di potenza, frequenza, ottici, termici o applicativi.

Il GaN e il SiC sono sostituti diretti dei dispositivi al silicio?

Di solito no. Il componente sostitutivo deve essere verificato in termini di valori nominali di tensione e corrente, comportamento di commutazione, pilotaggio del gate, progettazione termica, contenitore, protezione, layout, affidabilità e qualificazione di sistema. Prima di modificare un progetto qualificato è necessaria l'approvazione tecnica.

Quali informazioni devo fornire quando mi rifornisco di semiconduttori?

Indicare al produttore il codice articolo completo e il suffisso, la confezione, la quantità, l’applicazione, la data di consegna prevista, le alternative accettabili, i limiti relativi al codice di data e i documenti di conformità o tracciabilità richiesti. Una distinta base completa è utile quando è necessario esaminare contemporaneamente diverse famiglie di componenti.

È possibile dimostrare, tramite un'ispezione visiva, che un semiconduttore è autentico?

No. Le marcature, le etichette, l’imballaggio e le condizioni del cavo possono rivelare segnali di allarme, ma si tratta di prove preliminari. L’ambito dell’ispezione deve essere commisurato al rischio associato al componente e può includere la revisione della documentazione, prove elettriche, radiografie, analisi XRF o altri metodi approvati.

DuoLink è in grado di procurare componenti semiconduttori fuori produzione o difficili da reperire?

DuoLink si presenta come un fornitore indipendente che offre assistenza nella ricerca di componenti difficili da reperire, nella verifica delle disponibilità di magazzino e nella gestione delle distinte base. Prima dell'acquisto, per ogni articolo richiesto è necessario verificare la disponibilità, la provenienza, la prova di autenticità e la documentazione.